Ozonizer - en enhed til fremstilling af ozon (O 3 ). Ozon er en allotrop modifikation af oxygen , der indeholder tre oxygenatomer i et molekyle. I de fleste tilfælde er det oprindelige stof til syntesen af ozon molekylært oxygen (O 2 ), og selve processen er beskrevet ved ligningen 3O 2 → 2O 3 . Ozonering er en endoterm og let reversibel reaktion. Derfor træffes der i praksis foranstaltninger, der bidrager til den maksimale forskydning af dets ligevægt mod målproduktet.
Der er mange måder at producere ozon på.
Syntese fra gasformig ilt under påvirkning af en stille elektrisk udladning. Til dette formål ledes luft eller ren ilt ind i mellemrummet mellem elektroderne forbundet til en højspændingskilde. Spændingen påført elektroderne varierer normalt fra flere tusinde til flere titusinder af volt. Den bedste ydeevne opnås ved brug af ren ilt, gas ved den lavest mulige temperatur og pulserende jævnstrøm. Afstanden mellem elektroderne og det effektive område af elektroderne bestemmes af driftsspændingen og strømningshastigheden af den oxygenholdige gas. Metalelektroder kan katalytisk nedbryde ozon i kontakt med dem, så de placeres ofte inde i en tynd glaskonvolut. Nogle gange fungerer rør fyldt med en ledende væske, såsom svovlsyre, som ejendommelige elektroder. For at øge apparatets ydeevne samles elektrodepar ofte i store pakker afkølet med rindende vand. Ozonkoncentrationen ved udløbet af sådanne reaktorer (afhængigt af deres design og iltindholdet i den oprindelige gasblanding) overstiger normalt ikke nogle få procent, og når der anvendes atmosfærisk luft, er det kun en brøkdel af en procent. Derudover indeholder den ozonholdige gasblanding opnået i en stille udledning fra atmosfærisk luft en betydelig mængde meget reaktive nitrogenoxider, hvilket er uacceptabelt for mange teknologiske processer. Derfor er brugen af ren oxygen (som let kan genvindes ) som råmateriale til ozonsyntese ofte mere omkostningseffektiv end brugen af atmosfærisk luft.
BarriereudledningBarriereudladning - En udladning mellem to dielektrikum eller et dielektrikum og et metal i et AC-kredsløb er en effektiv og økonomisk ozongenerator. [1] [2] Flere typer udledningsceller kan henføres til barriereudledningen.
Volumen og overfladebarriereudledningerDer er overflade- og volumenbarriereudledninger. I en volumenudladning er elektroderne to metalplader eller strimler adskilt af et udladningsgab. En af dem (eller begge) er isoleret fra mellemrummet af et dielektrisk lag. Med en overfladebarriereudladning placeres begge elektroder på den ene side af den dielektriske plade, og udladningen brænder mellem dem i en gas på den anden side af dielektrikumet nær dens overflade. Til gasnedbrydning anvendes en hjælpeelektrode, som også er isoleret fra gassen af et andet dielektrikum.
Udladning i celler med coplanar geometriDenne type barriereudladning indtager en mellemposition mellem volumen- og overfladeudladninger og bruges i vid udstrækning som generatorer af ultraviolet stråling til at excitere fosfor i plasmaudladningspaneler (plasma-tv'er) . I sådanne udladningsceller er elektroderne placeret langs overfladen med lige store afstande og er dækket af et dielektrisk lag ovenfra, en spænding påføres hvert par elektroder, og der sker en udladning mellem alle tilstødende elektroder.
Det er meget fristende at bruge sådanne udledningsceller til syntese af ozon i dem, især i betragtning af den veletablerede teknologi til at skabe udledningspaneler, men et koplanar gasudledningspanel blev skabt til at fungere i inerte medier, så cellen kan betjenes med ilt eller atmosfærisk luft kun fyldt ved reduceret tryk. Et forsøg på at opnå en stabil udladning ved atmosfærisk tryk fører til nedbrydning af den dielektriske belægning. I forsøgsopstillingen blev der på den ovenfor beskrevne udledningscelle opnået ozonkoncentrationer op til 25 mg/l ved tryk fra 0,2 til 0,5 bar. [3]
Den praktiske anvendelse af celler med koplanar geometri som ozonisatorer er tvivlsom på trods af det ret høje ozonudbytte. Disse celler er meget dyre, ikke stærke nok og kun i stand til at fungere under reduceret tryk.
BueafladningVed opnåelse af ozon er det også muligt at anvende en lysbueudledning . Den termiske dissociation af molekyler stiger kraftigt med stigende temperatur. Ved T=3000 K er indholdet af atomær oxygen således ~10%. Sådanne temperaturer (flere tusinde grader) kan opnås i en atmosfærisk trykbueudledning. Dannelsen af O 3 er dog ikke mulig ved høje temperaturer, da ozon nedbrydes hurtigere end molekylær oxygen, men der kan skabes ikke-ligevægtsforhold: Opvarm gassen i et højtemperaturkammer, og afkøl den derefter kraftigt. Dette muliggør superligevægtsdannelse af ozon. Ozon opnås som et mellemprodukt under overgangen af en blanding af O 2 + O til molekylært oxygen. Den maksimale koncentration af O 3 i denne version af plasmabrænderen når 1%, den er ganske tilstrækkelig til mange industrielle formål og er desuden sammenlignelig i værdi med den, der opnås i ozonisatorer ved hjælp af en stille udledning (oftest en barriere) . De åbenlyse ulemper ved denne metode omfatter ustabil udledningsforbrænding, overophedning, overtryk, højt strømforbrug og store dimensioner af installationer baseret på den. [4] [5]
Corona-udledningEn koronaudladning dannes, når det elektriske felt omkring lederen er meget inhomogent, ionisering sker i luften, ledsaget af en glød, mens lederen så at sige er omgivet af en korona. Corona-gløden når ikke den modsatte elektrode og falmer i den omgivende gas. Afhængig af koronaelektroden skelnes der mellem en negativ og en positiv korona, og afhængigt af strømforsyningsmetoden en korona af jævn- og vekselstrøm, pulseret osv. Mængden af ozon, der dannes i en koronaudladning, varierer fra 15 til 25 g pr. kWh. Fordelen ved ozonisatorer baseret på koronaudladning er først og fremmest designens enkelhed og uendeligheden af "udladningsgabet". Gas kan pumpes uden yderligere modstand, for eksempel gennem et bredt rør med ledning langs aksen. Ozonisatorer baseret på coronaudledning anvendes oftest i ventilationsanlæg. Energiudbyttet af ozon i en koronaudladning kan nå op til 200-250 g O 3 pr. kWh ved brug af strømforsyning med korte impulser, med en stejl spændingsstigningsfront. [6] Imidlertid er brugen af sådanne komplekse strømgeneratorer (der kræver en nanosekunds pulserende udladning) en kostbar komplikation af ozonproduktionssystemet.
Syntese under påvirkning af ultraviolet stråling er lettere at implementere, men meget mindre produktiv. Den består i, at en oxygenholdig gas ledes gennem en afkølet og transparent til ultraviolet stråling (f.eks. kvarts) reaktor, bestrålet med en ultraviolet strålingskilde med et passende spektrum. Som regel bruges ren ilt som gassen. Som en kilde til hjemmelavede enheder er højtrykskviksølvlamper (såsom DRL) uden cylinder praktiske. Udbyttet af ozon ved brug af UV-installationer er lavt, derfor er denne metode som regel ikke implementeret i industrielt fremstillede enheder.
Brugen af lavtryks amalgamlamper kan øge ozonudbyttet.
Ozon kan dannes ved elektrolyse . Som elektrolyt kan man f.eks. bruge en stærk opløsning af perchlorsyre. Processen forsøges udført ved den lavest mulige temperatur, hvilket øger produktiviteten af apparatet til ozon væsentligt. Ved elektrolyse er det muligt at opnå en ilt-ozon-blanding med et meget højt (ti procent) ozonindhold. Ulempen ved elektrolytiske metoder er de høje omkostninger ved elektrolytter og elektroder, som normalt er lavet af ædelmetaller.
Ozon kan dannes i betydelige mængder under oxidation af visse stoffer. Det mest berømte eksempel på denne type reaktion er oxidationen af pinen (hovedkomponenten i terpentin ) med atmosfærisk oxygen, hvilket resulterer i dannelsen af en mærkbar mængde ozon. Ozonen, der frigives under denne reaktion, kan bruges til at oxidere andre stoffer, enten direkte i en blanding med terpentin eller efter dens adskillelse. Denne metode har dog en ekstremt begrænset anvendelse på grund af de høje omkostninger til råmaterialer og problemer med adskillelse af reaktionsprodukter.
Der er gjort gentagne forsøg på at skabe ozonisatorer baseret på bestråling af ilt med energistråler. I sådanne enheder dannes ozon, når oxygen udsættes for forskellige partikelstrømme: elektroner, røntgenstråler og strålingsstrømme: α-partikler, γ-kvanter osv. Ozon dannes i dette tilfælde, startende fra energien fra en monokromatisk elektron stråle på ~6 eV, hvilket svarer til dissociation af O 2 molekylet . Dette bekræfter den i øjeblikket accepterede mekanisme for ozondannelse. De almindelige ulemper ved disse metoder er udstyrets kompleksitet, lavt energiudbytte, det uønskede ved at arbejde med højenergistråler og en lang række stoffer, der dannes, når luft udsættes for højenergipartikler. Ozonisatorer bygget efter dette princip gik ikke ud over laboratorier og fandt ikke anvendelse i industrien. [7] [8]
Ozonisatorer bør ikke forveksles med ionisatorer (såsom Chizhevskys lysekrone ). Det er forskellige enheder. Ionisatorer giver en yderligere negativ elektrisk ladning til luftmolekyler og bør ikke generere ozon, hvis de er korrekt konfigureret. Ozon er et meget stærkt oxidationsmiddel og ekstremt giftigt selv ved lave koncentrationer. Det finder begrænset anvendelse i industriel syntese (for eksempel ved fremstilling af ravsyre fra gummiprodukter og affaldsprodukter), i terapi (den såkaldte ozonterapi ). Nogle gange bruges det til at rense og desinficere drikkevand (f.eks. på flodfartøjer) og nogle industrielle spildevand [9] indeholdende let oxiderbare organiske stoffer, når brugen af mere traditionelle oxidationsmidler af den ene eller anden grund ikke er ønskelig. Men i denne egenskab er det meget mindre effektivt og meget dyrere, end de er. Ozonisatorer bruges også til sterilisering af medicinske instrumenter.